基于單片機的電阻爐溫度控制系統設計

１　引言

電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。其控制系統屬于一階純滯后環(huán)節，具有大慣性、純滯后、非線(xiàn)性等特點(diǎn)，導致傳統控制方式超調大、調節時(shí)間長(cháng)、控制精度低。采用單片機進(jìn)行爐溫控制，具有電路設計簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現實(shí)意義。本文介紹的溫度控制系統的主要技術(shù)指標有：溫控范圍：300℃～1000℃；恒溫時(shí)間：０～24小時(shí)；控制精度：±１℃；超調量1%。

２　整體設計及系統原理

本系統由單片機AT89C52、溫度檢測電路、鍵盤(pán)顯示及報警電路、時(shí)鐘電路、溫度控制電路等部分組成。系統中采用了新型元件，功能強、精度高、硬件電路簡(jiǎn)單。其硬件原理圖如圖１所示。

圖1 硬件原理圖

在系統中，利用熱電偶測得電阻爐實(shí)際溫度并轉換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經(jīng)過(guò)溫度檢測電路轉換成與爐溫相對應的數字信號進(jìn)入單片機，單片機進(jìn)行數據處理后，通過(guò)液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報警，同時(shí)將溫度與設定溫度比較，根據設定的PID算法計算出控制量，根據控制量通過(guò)控制固態(tài)繼電器的導通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導通時(shí)間，以實(shí)現對爐溫的控制。該系統中的時(shí)鐘電路可以根據要求進(jìn)行準確計時(shí)。

３　硬件設計

3.1 溫度檢測電路

本系統采用的Ｋ型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶，其可測量1312℃以?xún)鹊臏囟?，其線(xiàn)性度較好，而且價(jià)格便宜。Ｋ型熱電偶的輸出是毫伏級電壓信號，最終要將其轉換成數字信號與CPU通信。傳統的溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補償－線(xiàn)性化處理－Ａ/D轉換”模式，轉換環(huán)節多、電路復雜、精度低。在本系統中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來(lái)完成“熱電偶電勢－溫度”的轉換，不需外圍電路、I/O接線(xiàn)簡(jiǎn)單、精度高、成本低。

MAX6675是MAXIM公司開(kāi)發(fā)的K型熱電偶轉換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線(xiàn)檢測電路，自帶冷端補償，能將K型熱電偶輸出的電勢直接轉換成12位數字量，分辨率0.25℃。溫度數據通過(guò)SPI端口輸出給單片機,其冷端補償的范圍是-20～80℃,測量范圍是0～1023.75℃。表１為MAX6675的引腳功能圖。

表１ MAX6675的引腳功能圖

圖２為本系統中溫度檢測電路。

圖２ 溫度檢測電路

當P2.5為低電平且P2.４口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MAX6675的SO腳輸出轉換數據。在每一個(gè)脈沖信號的下降沿輸出一個(gè)數據，16個(gè)脈沖信號完成一串完整的數據輸出，先輸出高電位D15，最后輸出的是低電位D0，D14-D3為相應的溫度轉換數據。當P2.5為高電平時(shí)，MAX6675開(kāi)始進(jìn)行新的溫度轉換。在應用MAX6675時(shí)，應該注意將其布置在遠離其它I/O芯片的地方，以降低電源噪聲的影響；MAX6675的T-端必須接地，而且和該芯片的電源地都是模擬地，不要和數字地混淆而影響芯片讀數的準確性。

３.2時(shí)鐘電路

在系統中需要準確顯示升溫時(shí)間、恒溫時(shí)間等，因而選用了時(shí)鐘芯片DS12887構成定時(shí)電路來(lái)完成對時(shí)間的準確計時(shí)。DS12887具有時(shí)鐘、鬧鐘、12/24小時(shí)選擇和閏年自動(dòng)補償功能；包含有10Ｂ的時(shí)鐘控制寄存器、4Ｂ的狀態(tài)寄存器和114Ｂ的通用RAM；具有可編程方波輸出功能；報警中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。使用時(shí)不需任何外圍電路，并具有良好的外圍接口。在本系統中，DS12887的地址／數據復用總線(xiàn)與單片機的P0口相連。通過(guò)定時(shí)器中斷，CPU每隔0.4秒讀一次DS12887的內部時(shí)標寄存器，得到當前的時(shí)間，并送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。每當電阻爐從一個(gè)狀態(tài)轉入另一個(gè)狀態(tài)，CPU通過(guò)DS12887把時(shí)間清零，重新開(kāi)始計時(shí)。此外，通過(guò)DS12887，還可以設定電阻爐的加熱時(shí)間和恒溫時(shí)間。電路如圖3中所示。

圖3 鍵盤(pán)、時(shí)鐘、報警和控溫電路

３.３鍵盤(pán)顯示和報警電路

本系統采用3*3鍵盤(pán)，由單片機I/O口控制，可通過(guò)按鍵設定溫度和時(shí)間，有的按鍵在不同情況下可以實(shí)現不同功能。顯示器選用點(diǎn)陣字符型液晶顯示器TC1602，系統中將擴展芯片8155的P0 口、PC.0～PC.2口與TC1602接口相連，TC1602的顯示形式是16*2行,可顯示爐溫、設定時(shí)間、實(shí)際時(shí)間等。報警電路是將單片機的I/O口與驅動(dòng)芯片MC1413相連，通過(guò)MC1413驅動(dòng)蜂鳴器。鍵盤(pán)電路和時(shí)鐘電路如圖3中所示。

３.4控溫電路

控溫電路包括驅動(dòng)芯片MC1413、過(guò)零型交流固態(tài)繼電器（Z型SSR）。報警和控溫電路如圖3中所示。

Z型SSR內部含有過(guò)零檢測電路，當加入控制信號，且負載電源電壓過(guò)零時(shí)，SSR才能導通；而控制信號斷開(kāi)后，SSR在交流電正負半周交界點(diǎn)處斷開(kāi)。也就是說(shuō)，當Z型SSR在1秒內為全導通狀態(tài)時(shí)，其被觸發(fā)頻率為100HZ；當Z型SSR在1秒內導通時(shí)間為0.5秒時(shí)，其被觸發(fā)頻率為50HZ。在本系統中，采用PID控制算法，通過(guò)改變Z型SSR在單位時(shí)間內的導通時(shí)間達到改變電阻爐的加熱功率、調節爐內溫度的目的。

4 軟件設計

在系統軟件中，主程序完成系統初始化和電爐絲的導通和關(guān)斷；爐溫測定、鍵盤(pán)輸入、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來(lái)完成；中斷服務(wù)程序實(shí)現定時(shí)測溫和讀取時(shí)間。流程圖如圖4所示。

圖4 控制系統程序流程圖

5 結語(yǔ)

該系統采用了K型熱電偶信號處理集成芯片MAX6675，改變了傳統測溫電路電路復雜、程序復雜、精度低等問(wèn)題；采用時(shí)鐘芯片可以對時(shí)間準確計時(shí)；采用先進(jìn)PID控制算法控制 、精度高、超調??；整個(gè)設計電路簡(jiǎn)單、設定功能多、操作簡(jiǎn)單。經(jīng)反復實(shí)驗證明：其工作穩定性強、精度高、實(shí)用性強、控制效果好、應用前景廣。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：改變了傳統的溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補償－線(xiàn)性化處理－Ａ/D轉換”模式，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來(lái)完成“熱電偶電勢－溫度”的轉換，不需外圍電路，接線(xiàn)簡(jiǎn)單，精度高；采用時(shí)鐘芯片便于精確計時(shí)，減小單片機的負擔；采用先進(jìn)PID控制算法控制，控制效果好，超調小。

參考文獻：

[1] 賴(lài)壽宏． 微型計算機控制技術(shù)．北京：機械工業(yè)出版社，2004．

[2] 何立民． MCS—51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術(shù)． 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001．

[3] 王延平．計算機高精度控溫系統的研究與開(kāi)發(fā)[J]．微計算機信息,，2006，６-1：33-34。

[4] 劉洪恩．利用熱電偶轉換器的單片機溫度測控系統[J]．儀表技術(shù)，2005，２：29-30。

[5] 孫凱，李元科．電阻爐溫度控制系統[J]． 傳感器技術(shù)，2003，２：50-52.。